基于機器視覺的直插式元件PCB焊接機器人設計

佟貴林，王 磊，于清策，付直剛（沈陽工業(yè)大學 遼陽分校，遼寧 遼陽 111003）

1 行業(yè)現(xiàn)狀

在現(xiàn)代社會，電子產品已經進入到生活的方方面面。作為電子產品核心支撐部件的印刷電路板(PCB)讓電子產品的批量化、智能化成為可能。電子產品的功能集成度越來越高，大規(guī)模印刷電路板的器件安裝大部分采用表面貼裝技術（SMT）。但部分中小型企業(yè)仍然采用傳統(tǒng)手工焊接的方式，生產成本高、效率低。目前該領域的自動焊接機器人成本都在10萬元以上，給中小企業(yè)增加了一部分負擔?！爸辈迨皆CB焊接機器人”將把成本控制到萬元級別?！爸辈迨皆CB焊接機器人”系統(tǒng)將為生產電子產品的中小企業(yè)提供一種用于替代原來手工焊接直插型PCB板的低成本解決方案。

2 “直插式元件PCB焊接機器人”設計方案

2.1 總體框架

“直插式元件PCB焊接機器人”系統(tǒng)包括：上位機主控制單元、下位機輔助控制單元、圖像采集單元、精密機械驅動單元、焊接單元。上位機主控制單元負責對輸入的PCB圖像信息進行分析和計算，并輸出控制指令；下位機輔助控制單元負責執(zhí)行上位機發(fā)送的指令，向圖像采集單元、精密機械驅動單元、焊接單元發(fā)送控制信號；圖像采集單元、精密機械驅動單元、焊接單元是前端執(zhí)行機構。具體結構關系如圖1。

圖1 “直插式元件PCB焊接機器人”總體框架

2.2 采用的主要器件

圖像采集單元主要由CCD（Charge-coupled Device）攝像頭、圖像采集卡以及LED光源組成。CCD成像系統(tǒng)具有良好的光敏特性，圖像失真較小，能夠滿足光學檢測的技術要求。攝像頭獲取圖像數(shù)據(jù)并將其傳至圖像采集卡，由圖像采集卡完成圖像的采集工作，并將圖像傳送到計算機主控程序進行處理，同時圖像系統(tǒng)通過接收上位機控制系統(tǒng)發(fā)送的工作指令繼續(xù)不間斷實現(xiàn)對圖像的采集與傳輸。為了獲得更清晰的圖像，對LED照明光源進行了改進，使其能夠與攝像頭配合，充分識別各種PCB板的狀態(tài)信息。印刷電路板（PCB）的數(shù)字圖像由計算機軟件系統(tǒng)進行處理，主要是定位焊盤位置，生成位置坐標，并區(qū)分已經焊接焊盤和未焊接焊盤。

精密平臺的機械結構采用X/Y二自由度結構。該平臺工作方式是將待檢測電路板放置于定位平臺的動平臺上，圖像采集系統(tǒng)固定不動，控制系統(tǒng)控制動平臺進行運動定位，從而使攝像頭系統(tǒng)進行電路板的圖像采集工作。這種X/Y定位平臺的優(yōu)點是結構緊湊、運動控制精度高，可以滿足不同層次的生產工藝要求。精密平臺的驅動單元使用了高性能全橋變頻電機驅動器，能夠保證系統(tǒng)定位的快速性與準確性。

主控上位機和輔助下位機兩層結構組成系統(tǒng)控制核心。使用高性能的計算機承載上位機控制系統(tǒng)，負責系統(tǒng)的圖像計算和識別，也包括人機界面管理和控制任務調度；下位機作為中繼控制器，主要負責接收上位機的控制命令，向上位機傳送采集到的圖像數(shù)據(jù)及裝置狀態(tài)參數(shù)。機械驅動控制算法采用傳統(tǒng)PID控制。PID反饋控制通過對被控量與給定量的差值進行調節(jié)，使其接近理想的期望值，其控制應用范圍廣、適應性強、參數(shù)易于整定，能夠減少控制過程中的超調和調節(jié)時間，實現(xiàn)無差控制。該系統(tǒng)示意圖如圖2。

圖2 “直插式元件PCB焊接機器人”系統(tǒng)示意圖

3 “直插式元件PCB焊接機器人”檢測結果及結論

“直插式元件PCB焊接機器人”樣機已經完成基本性能調試。測試結果證明該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)視覺自動識別精確定位焊盤位置，并利用精密控制平臺進行定位和焊接。根據(jù)調查反饋信息，中小企業(yè)的對這類生產設備有較大需求，“直插式元件PCB焊接機器人”能夠將設備成本降至原有水平的20%左右，并且提高了生產效率，在該領域有競爭優(yōu)勢。